煤制氢中压蒸汽发生器断裂分析研究

摘要

煤制氢中压蒸汽发生器又被称之为热交换器，是冷流体和热流体以对流和导热方式进行热量交换的一种工业设备，其中包含煤制氢中压蒸汽发生器，煤制氢中压蒸汽发生器是石油化工企业的重要装备之一。本文涉及到的蒸汽发生器是一种双侧均存在U型换热管的特别形式的换热器，它的主要部件含有壳体、换热管、管板、折流板，其中管程流体和壳程流体进行换热，换热过程中管板同时遭受来自流体、壳体和管束的载荷、压力和热膨胀，所以管板是换热器中十分重要的零部件。 本文用煤制氢中压蒸汽发生器作为分析对象，应用数值计算方式，通过合理简化建立煤制氢中压蒸汽发生器有限元模型之后进行数值计算。利用有限元软件对蒸汽发生器单独施加压力载荷的应力场、单独施加温度载荷的应力场以及同时施加温度载荷和压力载荷时的应力场进行数值模拟。通过对比分析得出最大应力位于管板与管束连接处以及温度载荷所产生的热应力对蒸汽发生器管板及管束应力有很大影响的结论。 依据热交换器标准对于流体诱发振动的主要成因进行判断，单独建立不同类型管束的模型并利用有限元软件对这些管束进行模态分析，与热交换器标准中的规定进行比对可以得出蒸汽发生器两侧所有管束均不会因横流速度过大和振幅过大导致振动或破坏，煤制氢中压蒸汽发生器两侧均会存在因卡门漩涡引起的振动和破坏且两侧均有湍流抖振的可能。所以流体诱发振动对管束产生影响的四个方面中仅有卡门漩涡和湍流抖振会导致管束发生振动和破坏。 文中应用断裂力学中的安全系数以及寿命的数学计算公式（Mason-Coffin公式）对承受最大应力、最高温度的位置进行疲劳寿命评估。 综上所述，温度载荷引发的热应力与压力载荷引发的流体力对此煤制氢中压蒸汽发生器的管束和管板总应力分布都存在一定的影响，但是温差引发的热应力对蒸汽发生器管束及管板的应力分布影响很大，与此相比压力载荷引发的流体力影响很小。同时蒸汽发生器中壳程流体存在诱发管束振动的可能，引发振动的原理包括卡门漩涡和湍流抖振。通过模拟计算可以看到蒸汽发生器管束的应力极大值出现在管束和管板的连接处，同时折流板处蒸汽发生器管束也会出现局部应力集中情况，这些原因都会引起管束和管板的连接处出现裂纹并导致破坏。

目录

1 绪论

1.1 换热器概述

1.2 国内外研究进展

（一）国外的研究进展

（二）国内的研究进展

（三）换热器管板研究进展

1.3 数值模拟研究理论概述

1.3.1 有限元方法的概念及发展应用

1.3.2 有限元软件的发展及应用

1.4 项目研究的主要内容及研究意义

1.4.1 蒸汽发生器的失效

1.4.2 项目研究主要内容

2 流体力学基础和换热器的换热现象

2.1 流体力学基础

2.1.1 流体力学基本方程

2.1.2 定解条件

2.1.3 湍流模型

2.2 换热器的换热现象

2.2.1 传热学知识理论

2.2.2 对流换热问题数学描述

2.2.3 换热管束内流体的层流、湍流流动

2.2.4 热边界层的能量传递

3.1 蒸汽发生器三维模型建立

3.1.1 蒸汽发生器结构尺寸及工艺条件

3.1.2 有限元模型的建立

3.2 蒸汽发生器流场数值模拟

3.2.1 流场模拟边界条件计算

3.2.2 流场数值模拟结果

3.3 应力场数值模拟分析

3.3.1 蒸汽发生器温度场分布及约束加载

3.3.2 流-固耦合模拟计算

3.3.3 热-固耦合模拟计算

3.3.4 热流固耦合模拟计算

3.4 小结

4 流体诱发振动计算及判断

4.1 流体诱发振动理论

4.2 管束模型建立及验证

（1）管束模型建立

（2）模态模拟结果

（3）理论计算与数值模拟对比

4.3 流体诱发振动的计算

4.3.1 流体诱发振动主要成因

4.3.2 流体诱发振动的判据

4.4 小结

5 蒸汽发生器的寿命评估

5.1 疲劳寿命概况

5.1.1 安全性的评定综述

5.1.2 疲劳寿命的计算方法

5.2 应变范围法寿命评估

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢